Doba železná – 3. díl

Nejnovější číslo o kovu číslo jedna naší civilizace a jejích vztazích. Dosud provedené experimenty ukázaly, že jde o zajímavý objekt pro výzkum v domácí laboratoři. Dnešní pokusy budou neméně zajímavé a umožní vám podívat se na některé aspekty chemie jinak.

Jedním z experimentů v první části článku byla oxidace nazelenalé sraženiny hydroxidu železitého na hnědý hydroxid železitý roztokem H₂O₂. Peroxid vodíku se rozkládá pod vlivem mnoha faktorů, včetně sloučenin železa (v experimentu byly nalezeny bublinky kyslíku). Tento efekt použijete k zobrazení...

… Jak funguje katalyzátor

samozřejmě urychluje reakci, ale - stojí za to si připomenout - pouze jeden, který za daných podmínek může nastat (i když někdy velmi pomalu, až neznatelně). Je pravda, že existuje tvrzení, že katalyzátor urychluje reakci, ale sám se jí neúčastní. Hmm... proč se to vůbec přidává? Chemie není žádná magie (někdy mi to tak připadá a navíc "černá") a jednoduchým experimentem uvidíte katalyzátor v akci.

Nejprve si připravte pozici. Budete potřebovat podnos, abyste zabránili zaplavení stolu, ochranné rukavice a brýle nebo hledí. Máte co do činění s žíravým činidlem: perhydrol (30% roztok peroxidu vodíku H₂O₂) a roztok chloridu železitého FeCl₃. Chovejte se moudře, hlavně pečujte o své oči: pokožka rukou popálená pehydrolem se regeneruje, oči ne. (1).

2. Výparník vlevo obsahuje pouze vodu, vpravo vodu s přídavkem perhydrolu. Do obou nalijete roztok chloridu železitého

3. Průběh reakce, po jejím ukončení dochází k regeneraci katalyzátoru

Nalijte do porcelánové odparky a přidejte dvojnásobek vody (reakce probíhá i s peroxidem vodíku, ale v případě 3% roztoku je efekt sotva patrný). Obdrželi jste přibližně 10% roztok H₂O₂ (komerční perhydrol zředěný 1:2 vodou). Do druhého výparníku nalijte tolik vody, aby každá nádoba měla stejné množství kapaliny (toto bude váš referenční rámec). Nyní přidejte 1-2 cm na oba pařáky.³ 10% roztok FeCl₃ a pečlivě sledujte průběh testu (2).

V kontrolním výparníku má kapalina nažloutlou barvu v důsledku hydratovaných Fe iontů.³⁺. Na druhou stranu se v nádobě s peroxidem vodíku děje spousta věcí: obsah zhnědne, plyn se intenzivně uvolňuje a kapalina ve výparníku se velmi zahřeje nebo dokonce vře. Konec reakce je poznamenán zastavením vývoje plynu a změnou barvy obsahu na žlutou, jako v řídicím systému (3). Byl jsi jen svědek provoz katalyzátoru, ale víte, jaké změny nastaly v plavidle?

Hnědá barva pochází ze sloučenin železa, které vznikají v důsledku reakce:

Plyn, který je intenzivně vystřikován z výparníku, je samozřejmě kyslík (můžete zkontrolovat, zda nad hladinou kapaliny nezačne hořet žhnoucí plamen). V dalším kroku kyslík uvolněný ve výše uvedené reakci oxiduje kationty Fe.²⁺:

Regenerované Fe ionty³⁺ opět se účastní první reakce. Proces končí, když je spotřebován všechen peroxid vodíku, čehož si všimnete, když se do obsahu výparníku vrátí nažloutlá barva. Když vynásobíte obě strany první rovnice dvěma a přidáte ji bokem ke druhé a poté zrušíte stejné členy na opačných stranách (jako v normální matematické rovnici), dostanete rovnici distribuční reakce H₂O₂. Vezměte prosím na vědomí, že v něm nejsou žádné ionty železa, ale pro označení jejich role v transformaci je napište nad šipku:

Peroxid vodíku se také spontánně rozkládá podle výše uvedené rovnice (samozřejmě bez iontů železa), ale tento proces je poměrně pomalý. Přídavek katalyzátoru mění reakční mechanismus na takový, který se snáze implementuje, a proto urychluje celou konverzi. Proč tedy myšlenka, že katalyzátor není zapojen do reakce? Pravděpodobně proto, že se v procesu regeneruje a zůstává nezměněn ve směsi produktů (v experimentu se žluté zbarvení Fe(III) iontů vyskytuje před reakcí i po ní). Tak si to zapamatujte katalyzátor se účastní reakce a je aktivní částí.

Za potíže s H.₂O₂

4. Kataláza rozkládá peroxid vodíku (zkumavka vlevo), přidání roztoku EDTA zničí enzym (zkumavka vpravo)

Enzymy jsou také katalyzátory, ale působí v buňkách živých organismů. Příroda použila ionty železa v aktivních centrech enzymů, které urychlují oxidační a redukční reakce. To je způsobeno již zmíněnými mírnými změnami v mocenství železa (z II na III a naopak). Jedním z těchto enzymů je kataláza, která chrání buňky před vysoce toxickým produktem buněčné přeměny kyslíku – peroxidem vodíku. Katalázu získáte snadno: brambory rozšťouchejte a zalijte vodou. Suspenzi nechte klesnout na dno a supernatant zlikvidujte.

Nalijte 5 cm do zkumavky.³ bramborový extrakt a přidejte 1 cm³ peroxid vodíku. Obsah je velmi pěnivý, může se i „vylézt“ ze zkumavky, zkuste to na tácku. Kataláza je velmi účinný enzym, jedna molekula katalázy dokáže rozložit až několik milionů molekul H za minutu.₂O₂.

Po nalití extraktu do druhé zkumavky přidejte 1-2 ml³ Roztok EDTA (kyselina edetová sodná) a obsah se smísí. Pokud nyní přidáte dávku peroxidu vodíku, neuvidíte žádný rozklad peroxidu vodíku. Důvodem je vznik velmi stabilního komplexu iontů železa s EDTA (toto činidlo reaguje s mnoha ionty kovů, což se používá k jejich stanovení a odstranění z prostředí). Kombinace Fe iontů³⁺ s EDTA blokoval aktivní místo enzymu a následně inaktivoval katalázu (4).

Železný snubní prsten

V analytické chemii je identifikace mnoha iontů založena na tvorbě těžko rozpustných precipitátů. Letmý pohled na tabulku rozpustnosti však ukáže, že dusičnanové (V) a dusičnanové (III) anionty (soli prvního se nazývají jednoduše dusičnany a druhého - dusitany) prakticky netvoří sraženinu.

Síran železnatý FeSO přichází na pomoc při detekci těchto iontů.₄. Připravte činidla. Kromě této soli budete potřebovat koncentrovaný roztok kyseliny sírové (VI) H₂SO₄ a zředěný 10-15% roztok této kyseliny (pozor při ředění, nalévání samozřejmě „kyseliny do vody“). Dále soli obsahující detekované anionty, jako je KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Připravte koncentrovaný roztok FeSO.₄ a roztoky solí obou aniontů (čtvrt lžičky soli se rozpustí asi na 50 cm³ voda).

5. Pozitivní výsledek kroužkového testu.

Reagencie jsou připraveny, je čas experimentovat. Nalijte 2-3 cm do dvou zkumavek³ roztok FeSO₄. Poté přidejte několik kapek koncentrovaného N roztoku.₂SO₄. Pomocí pipety odeberte alikvot roztoku dusitanů (např₂) a nalít tak, aby stékal po stěně zkumavky (to je důležité!). Stejným způsobem nalijte část roztoku ledku (například KNO₃). Pokud se oba roztoky opatrně nalijí, objeví se na povrchu hnědé kroužky (odtud obecný název tohoto testu, kruhová reakce) (5). Efekt je zajímavý, ale máte právo být zklamáni, možná i rozhořčeni (Je to přece analytický test? Výsledky jsou v obou případech stejné!).

Udělejte však další experiment. Tentokrát přidejte zředěný H.₂SO₄. Po vstříknutí roztoků dusičnanů a dusitanů (jako dříve) zaznamenáte pozitivní výsledek pouze v jedné zkumavce – v té s roztokem NaNO.₂. Tentokrát asi nemáte žádnou připomínku k užitečnosti prstencového testu: reakce v mírně kyselém prostředí umožňuje jasně rozlišit dva ionty.

Mechanismus reakce je založen na rozkladu obou typů dusičnanových iontů za uvolňování oxidu dusnatého (II) NO (v tomto případě je železný iont oxidován ze dvou až tří číslic). Kombinace iontu Fe(II) s NO má hnědou barvu a dává prstenci barvu (provádí se, pokud je test proveden správně, pouhým smícháním roztoků získáte pouze tmavou barvu zkumavky, ale - uznáváte - nebude to tak zajímavý efekt). Rozklad dusičnanových iontů však vyžaduje silně kyselé reakční prostředí, kdežto dusitany pouze mírné okyselení, proto byly během testu pozorovány rozdíly.

Železo v tajné službě

Lidé měli vždy co skrývat. Vznik časopisu s sebou nesl i vývoj metod ochrany takto přenášených informací - šifrování nebo skrývání textu. Pro tuto druhou metodu byla vynalezena řada sympatických inkoustů. To jsou látky, pro které jste je vyrobili nápis není vidětodhaluje se však vlivem např. zahřívání nebo ošetření jinou látkou (vyvíječem). Příprava hezkého inkoustu a jeho vývojky není náročná. Stačí najít reakci, při které vzniká barevný produkt. Nejlepší je, aby byl inkoust sám o sobě bezbarvý, pak bude nápis vytvořený jimi neviditelný na substrátu jakékoli barvy.

Sloučeniny železa také vytvářejí atraktivní inkousty. Po provedení výše popsaných testů mohou být jako sympatické inkousty nabízeny roztoky železa (III) a chloridu FeCl.₃thiokyanid draselný KNCS a ferrokyanid draselný K₄[Fe(CN)₆]. V reakci FeCl₃ s kyanidem zčervená a s ferokyanidem zmodrá. Jsou vhodnější jako inkousty. roztoky thiokyanátu a ferrokyaniduprotože jsou bezbarvé (v druhém případě musí být roztok zředěn). Nápis byl proveden nažloutlým roztokem FeCl.₃ je vidět na bílém papíře (pokud není karta také žlutá).

6. Dvoubarevná řasenka je dobrá

7. Sympatický inkoust kyseliny salicylové

Připravte zředěné roztoky všech solí a pomocí štětce nebo zápalky napište na kartičky roztokem kyanidu a ferrokyanidu. Pro každý použijte jiný štětec, abyste zabránili kontaminaci činidel. Po zaschnutí si nasaďte ochranné rukavice a navlhčete bavlnu roztokem FeCl.₃. Roztok chloridu železitého korozívní a zanechává žluté skvrny, které časem zhnědnou. Z tohoto důvodu se vyvarujte potřísnění pokožky a okolí jím (pokus provádějte na tácu). Pomocí vatového tamponu se dotkněte kousku papíru, abyste navlhčili jeho povrch. Pod vlivem vývojky se objeví červená a modrá písmena. Na jeden list papíru je možné psát i oběma inkousty, odhalený nápis pak bude dvoubarevný (6). Salicylalkohol (2% kyselina salicylová v alkoholu) je také vhodný jako modrý inkoust (7).

Tímto končí třídílný článek o železe a jeho sloučeninách. Zjistili jste, že je to důležitý prvek a navíc vám umožňuje provádět mnoho zajímavých experimentů. Stále se však zaměříme na „železné“ téma, protože za měsíc potkáte jeho nejhoršího nepřítele - korozi.

Viz též: